КОРРОЗИОННО-СТОЙКАЯ СТАЛЬ ДЛЯ НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫХ И ОБСАДНЫХ ТРУБ Российский патент 2011 года по МПК C22C38/28 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к легированным сталям, предназначенным для изготовления насосно-компрессорных и обсадных труб, а также скважинного оборудования, эксплуатирующихся в агрессивных средах, содержащих сероводород и углекислый газ.

Как известно, высокопрочные обсадные и насосно-компрессорные трубы обычно изготавливают из легированной хромомолибденовой или хромоникельмолибденовой стали. Например, согласно стандарту API 5CT/ISO 11960 для труб группы прочности L80 типа 9Сг, предназначенных для скважин с сернистой средой, используется сталь, содержащая не более 0,15% углерода, 0,30-0,60% марганца, не более 1,00% кремния, 0,90-1,10% молибдена, 8,00-10,0% хрома, не более 0,50% никеля, не более 0,25% меди. Однако трубы из указанной стали не обладают стойкостью к сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением (СКРН), а также имеют низкую хладостойкость, что не позволяет использовать их в условиях Крайнего Севера.

Известна также экономнолегированная сталь 12Х2МФБ (Марочник сталей и сплавов./Под ред. А.С.Зубченко, М., «Машиностроение», 2003, стр.245), имеющая следующий химический состав, мас.%:

углерод 0,08-0,12 кремний 0,40-0,70 марганец 0,40-0,70 хром 2,10-2,60 молибден 0,50-0,70 ванадий 0,20-0,35 ниобий 0,50-0,80 никель не более 0,25 медь не более 0,25 фосфор не более 0,025 сера не более 0,025 железо остальное

Указанная сталь имеет достаточную стойкость к сульфидному растрескиванию в сероводородсодержащей среде, но не обладает стойкостью к углекислотной и бактериальной коррозии и не имеет необходимых прочностных свойств, поскольку для связывания карбидообразующих элементов в карбиды, обеспечивающие упрочнение по дисперсионному механизму упрочнения, в этой стали недостаточно углерода.

Вышерассмотренные стали не содержат модифицирующие добавки, что сказывается на морфологии и фазовом составе неметаллических включений. В стали образуются удлиненные сульфиды (Fe,Mn)S и округлые оксиды алюминия. Данный фазовый состав неметаллических включений приводит к значительному снижению коррозионной стойкости и пластичности стали.

Наиболее близкой к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является коррозионно-стойкая сталь по патенту РФ №2361958, МПК С22С 38/26, содержащая, мас.%:

углерод 0,03-0,12 кремний 0,17-0,40 марганец 0,40-0,70 хром 0,50-1,20 молибден 0,15-0,30 ванадий 0,04-0,10 ниобий 0,03-0,06 алюминий не более 0,06 РЗМ 0,002-0,016 железо и неизбежные примеси остальное

Данная сталь имеет хорошую коррозионную стойкость в агрессивных средах, однако не обладает необходимыми прочностными характеристиками, позволяющими использовать ее для изготовления насосно-компрессорных и обсадных труб группы прочности «Д» (ГОСТ 633-80).

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является расширение арсенала экономнолегированных сталей для изготовления насосно-компрессорных и обсадных труб, обеспечивающих как необходимый уровень механических свойств, так и стойкость к коррозии в различных агрессивных средах.

Поставленная задача решается за счет того, что коррозионно-стойкая сталь для насосно-компрессорных и обсадных труб, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ванадий, ниобий, алюминий, железо и неизбежные примеси, в отличие от прототипа дополнительно содержит цирконий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод 0,03-0,12 кремний 0,17-0,40 марганец 0,40-0,70 хром 1,20-2,00 молибден 0,15-0,30 ванадий от 0,04 до менее 0,05 ниобий 0,03-0,06 алюминий от более 0,05 до не более 0,06 цирконий 0,01-0,07 железо и неизбежные примеси остальное.

Технический результат, обеспечиваемый при реализации описываемого изобретения, заключается в следующем. Как показали проведенные исследования, микродобавки циркония оказывают упрочняющее влияние на сталь, что особенно заметно проявилось при очень малых количествах этого элемента. Цирконий имеет большее сродство к углероду, чем хром, молибден, ванадий и ниобий. При этом образуются дисперсные карбиды и карбонитриды. Прирост прочности стали с цирконием, по-видимому, можно объяснить тем, что, во-первых, происходит образование мелкодисперсных карбидов циркония, располагающихся по мало- и высокоугловым границам, во-вторых, в структуре стали при нагреве до 1000°С сохраняются дисперсные карбонитриды циркония, сдерживающие рост аустенитного зерна, что обуславливает получение наследственной мелкозернистой структуры стали. В малых количествах цирконий упрочняет феррит, измельчая блочную структуру стали. Кроме этого, цирконий оказывает стабилизирующее воздействие на микро- и субструктуру стали, существенно замедляя процессы превращения аустенита при охлаждении и снижая скорость протекания рекристаллизации феррита. Добавка циркония оказывает влияние на кинетику превращения аустенита стали, замедляя диффузию углерода в твердом растворе, что приводит к стабильности аустенита и, следовательно, к сдвигу в сторону большей выдержки превращения аустенита в феррит. При этом, как подтвердили наши исследования, при указанных количествах циркония в стали ее упрочнение достигается без снижения пластичности, что обуславливается эффектом растворения циркония в стали и измельчением его субструктуры, обеспечивающим мелкозернистую структуру стали. За счет того, что цирконий имеет большее сродство к углероду, чем хром, его карбиды более стабильны и выделяются раньше, чем карбиды хрома. Предложенные диапазоны содержания углерода и циркония таковы, что почти весь углерод оказывается связанным в карбиды или карбонитриды циркония, а большая часть хрома остается в твердом растворе, что значительно повышает стойкость стали к углекислотной и бактериальной коррозии. Повышение содержания хрома в предложенном составе по сравнению с прототипом до 2,00 мас.% также приводит к существенному повышению коррозионной стойкости стали. Цирконий обладает высоким химическим сродством не только к углероду, но и кислороду, сере и азоту. За счет введения циркония изменяются морфология и фазовый состав сульфидов, а также не создаются цепочки неметаллических включений, снижающих пластические и коррозионные свойства металла.

Сущность предлагаемого изобретения и обеспечиваемый им технический результат поясняются данными проведенных экспериментов, представленными в таблицах, где в Таблице 1 приведены варианты химического состава стали, в Таблице 2 - механические свойства, в Таблице 3 - результаты испытаний на стойкость к сульфидной и углекислотной коррозии, в Таблице 4 - результаты испытаний на стойкость к биокоррозии (оценивается как количество клеток СВБ-бактерий в поле зрения при увеличении ×3000).

Таблица 1 № п/п Массовые доли элементов, % С Si Mn Cr Mo Al V Nb Zr РЗМ 1 0,05 0,17 0,70 1,25 0,23 0,05 0,04 0,04 0,04 - 2 0,08 0,35 0,48 1,74 0,25 0,04 0,06 0,07 0,07 - 3 0,12 0,40 0,53 2,00 0,15 0,03 0,10 0,03 0,06 - 4 0,03 0,28 0,40 1,20 0,30 0,06 0,05 0,06 0,01 - Прототип 0,11 0,26 0,56 0,50 0,20 0,06 0,06 0,06 - 0,002

Таблица 2 № п/п Предел прочности, σ_в, МПа Предел текучести, σ_г, МПа Ударная вязкость, KCV^-60, Дж/см² Доля вязкой составляющей в изломе, % 1 686 569 244 86 2 758 614 182 60 3 779 630 268 94 4 617 524 270 95 Прототип 520 420 170 60

Таблица 3 № п/п Стойкость к СКРН по NACE ТМ0177, метод А, oth, % от σ_г Скорость CO₂-коррозии, Т_исп 60°С, мм/год 1 85 0,8 2 80 0,6 3 90 0,5 4 80 0,9 Прототип 80 1,0

Таблица 4 № п/п Количество клеток в поле зрения при ×3000, шт. 1 15 2 12 3 9 4 21 Прототип 30

Как видно из приведенных данных, предложенный состав стали и количественное содержание компонентов обеспечивают такую совокупность механических свойств стали и ее коррозионной стойкости, которая отсутствует у известных из уровня техники аналогов. Также следует отметить, что при содержании хрома в стали менее 1,20 мас.% не обеспечивается стойкость к углекислотной коррозии, а при содержании хрома свыше 2,00 мас.% ухудшается стойкость к СКРН. Введение циркония положительно сказывается на стойкости стали к сульфидной коррозии, т.к. он связывает серу в оксисульфиды и гидриды. При этом концентрация циркония менее 0,04 мас.% оказалась недостаточной для связывания серы в сульфиды (оксисульфиды) циркония, а при увеличении содержания циркония выше 0,06 мас.% происходило излишнее обогащение границ зерен цирконием, что обуславливает склонность стали к межзеренному разрушению и, следовательно, ведет к уменьшению вязкости, повышению температуры хрупко-вязкого перехода и снижению стойкости к СКРН.

Таким образом, предложенная сталь при экономном поликомпонентном легировании имеет наилучшее по сравнению с известными аналогами соотношение прочностных характеристик и коррозионной стойкости, которое обеспечивает возможность ее использования для изготовления насосно-компрессорных и обсадных труб, эксплуатирующихся в агрессивных средах, содержащих H₂S и CO₂.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к легированным коррозионно-стойким сталям, предназначенным для изготовления насосно-компрессорных и обсадных труб, а также скважинного оборудования, эксплуатирующихся в агрессивных средах, содержащих сероводород и углекислый газ. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ванадий, ниобий, алюминий, цирконий, железо и неизбежные примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,03-0,12, кремний 0,17-0,40, марганец 0,40-0,70, хром 1,20-2,00, молибден 0,15-0,30, ванадий от 0,04 до менее 0,05, ниобий 0,03-0,06, алюминий от более 0,05 до не более 0,06, цирконий 0,01-0,07, железо и неизбежные примеси - остальное. Достигается наилучшее соотношение прочностных характеристик и коррозионной стойкости, которое обеспечивает возможность ее использования для изготовления насосно-компрессорных и обсадных труб, эксплуатирующихся в агрессивных средах, содержащих H₂S и СO₂. 4 табл.

Коррозионно-стойкая сталь для насосно-компрессорных и обсадных труб, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ванадий, ниобий, алюминий, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что дополнительно содержит цирконий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод 0,03-0,12 кремний 0,17-0,40 марганец 0,40-0,70 хром 1,20-2,00 молибден 0,15-0,30 ванадий от 0,04 до менее 0,05 ниобий 0,03-0,06 алюминий от более 0,05 до не более 0,06 цирконий 0,01-0,07 железо и неизбежные примеси остальное